化学工程视野下的电化学能源转换与存储

以风力/太阳能等为代表的间歇性可再生能源发电技术为能源快速发展注入了新的活力和契机。为此,发展这些电能的高效转换与存储体系至关重要,已成为当今世界范围内的重大挑战性课题之一。基于此,本文讨论和展望了化学工程视野下的电化学能源转换与存储技术的未来发展方向,为解决该领域工业化发展中的关键科学和技术问题提供了有效指导,将全面促进电化学能源转换与存储领域的快速发展。文章从化学工程的视角综述了电化学能源转换与存储技术（二次电池、超级电容器、电化学催化等）的国内外研究发展状况,指出并剖析了该体系存在的关键科学/技术问题,主要内容包括电化学能源转换与存储领域中的三传一反、系统工程、分离工程以及绿色节能新策略等。     

可再生能源在化工生产及其公用工程系统中的应用

“双碳目标”对化工生产提出了新的挑战，改善能源供给结构和提升能源利用效率是解决这一问题的重要途径之一。随着能源转换技术和储能技术不断发展和完善，可再生能源利用水平及供应稳定性进一步提高，在替代以化石能源为主的化工公用工程系统方面有着明显的优势，被认为是最具应用前景的新一代化工系统供能方式。本文在可再生能源供能技术的基础上，总结了可再生能源在供热、制冷、供水、供电以及多联产系统等新型化工公用工程中的应用现状，着重突出了可再生能源相比传统化工公用工程在节能减排方面发挥的重要作用。探讨了可再生能源目前在化工公用工程系统中的耦合匹配现状、应用所遇到的问题和挑战，并对其未来发展进行了展望。文章指出，可再生能源化工公用工程将成为解决目前化工环保困境的重要途径。     

适应季节性氨需求的可再生能源合成氨系统优化设计

可再生能源合成氨技术不但有利于解决传统合成氨工业高能耗高排放的问题,还为可再生能源的存储和消纳提供新途径。从氨的季节性需求特性出发,构建了可再生能源合成氨系统的优化设计模型,确定了系统的最优配置及其操作方案,阐明了氨的季节性需求对可再生能源合成氨系统设计和操作的影响特性。研究表明：与将氨作为储能介质的场景相比,在将氨作为氮肥原料,考虑其季节性需求时,所需可再生能源合成氨系统的规模显著增大,使得单位合成氨的成本增加约21%;化工生产单元和储罐的负荷也随着氨的季节性需求变化呈现出不同程度的淡季和旺季;在两种应用场景下,系统中电池储能单元的操作都主要由下游的化工生产单元决定,且储能电池单元的主要作用在于平抑可再生能源波动以保证化工生产单元在可再生能源不足时的持续稳定运行并维持其低负荷运行。     

水系有机液流电池活性材料的分子工程研究进展

氧化还原液流电池(RFB)是有良好发展前景的电化学储能技术和大规模可再生能源存储的有效解决方案,其中水系有机氧化还原液流电池(AORFB)不仅成本低,还可以通过分子工程进行活性材料的理性设计,从而高效率地得到具有精准目标性能的新型活性材料。综述了AORFB活性材料的发展历程和研究现状,重点对不同结构活性材料的分子工程研究进行介绍。结合当前研究趋势,提出了活性材料分子工程研究未来发展的方向与思路。     

水系有机液流电池活性材料的分子工程研究进展

氧化还原液流电池(RFB)是有良好发展前景的电化学储能技术和大规模可再生能源存储的有效解决方案,其中水系有机氧化还原液流电池(AORFB)不仅成本低,还可以通过分子工程进行活性材料的理性设计,从而高效率地得到具有精准目标性能的新型活性材料。综述了AORFB活性材料的发展历程和研究现状,重点对不同结构活性材料的分子工程研究进行介绍。结合当前研究趋势,提出了活性材料分子工程研究未来发展的方向与思路。     

发改委批复可再生能源和新能源高技术产业化专项项目

国家发改委批复了18项可再生能源和新能源高技术产业化示范工程资金申请报告,并安排国家补助资金1.22亿元支持高技术产业化示范工程的建设,该批项目总投资约20.19亿元。结合我国可再生能源和新能源的资源及技术特点,推动我国可再生能源和新能源的发展,国家发改委2005年“可再生     

基于新工科立体改造协同作用的能源化学工程专业“双碳”工程人才培养模式探究

在“双碳”目标背景下,中国的能源战略正面临着重大转型,高校能源化工类专业的立体改造迫在眉睫。中国矿业大学能源化学工程专业聚焦新能源领域,以可再生能源化工、化学储能工程、二氧化碳转化利用为发展方向,以工程教育认证为导向,结合国家“双碳”战略对人才的需求,构建符合认证标准的“双碳”特色课程体系、实践平台和科研创新队伍,实施基于新工科立体改造协同作用的“双碳”工程人才培养模式。这些工作对推进高校的新工科建设、支撑国家“双碳”战略的实施具有重要的作用。     

征稿简则

正《化工进展》创刊于1981年,由中国化工学会、化学工业出版社主办,是中国化工学会会刊、中文核心期刊、科技核心期刊,2009年起入选中国百种杰出学术期刊。《化工进展》属于化工科技综合性期刊,以交流学术思想、科研成果及经验,介绍国内外化学工业的进展和发展动向为目的。主要栏目有:1特约评述;2化工过程与装备(包括化工分离、反应工程、传递、系统工程、化工设备等);3能源加工与技术(包括化石能源、生物质能及太阳能、氢能等新能源);4工业催化;5材料科学与技术(包括有机材料、无机材料、高分子材     

宁波材料所构筑分子系统实现高效太阳光水解制氢

正中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室在太阳光水解制氢领域取得进展,相关成果以A molecular tandem cell for efficient solar water splitting为题发表在《美国国家科学院院刊》上。宁波材料所先进能源材料工程实验室研究员汪德高与美国北卡罗莱纳大学教堂山分校教授尤为、Thomas J. Meyer开展合作研究,报道了基于分子系统光电化学电池/光伏串联电池高效分解水的研     

钠离子电池负极材料的储钠机制及性能研究进展

绿色能源的应用,促使着电化学储能与转换技术的飞速发展。锂离子电池作为储能领域最成功的二次离子电池之一,已被应用于各种电子产品中,但是由于锂资源短缺造成锂离子电池的成本增加,限制了其在大规模储能设备领域的应用。因此,寻找价格低廉、性能优异的二次离子电池是当下的研究热门之一。钠离子电池不仅拥有和锂离子电池相似的工作原理,而且还具有成本低、资源丰度大和可逆容量高的特点,有望成功地代替锂离子电池而应用于商业化生产。本工作主要综述了钠离子电池负极材料的性能研究进展,首先根据钠离子在负极材料存储方式不同,分析归纳了负极材料的插层反应、合金化反应和转换反应三种储钠机制,然后介绍了负极材料的结构修改、元素掺杂和材料复合三种改性方式,随后重点介绍了碳基材料、钛基材料、合金类材料、转换类材料和有机材料等几种关键的钠离子电池负极材料的电化学性能和所面临的问题,最后,以实际生产和工业应用为基础,展望了钠离子电池负极材料的研究方向。     

Biomass-derived materials for electrochemical energy storages

During the past decade humans have witnessed dramatic expansion of fundamental research as well as the commercialization in the area of electrochemical energy storage, which is driven by the urgent demand by portable electronic devices, electric vehicles, transportation and storage of renewable energy for the power grid in the clean energy economy. Li-secondary batteries and electrochemical capacitors can efficiently convert stored chemical energy into electrical energy, and are currently the rapid-growing rechargeable devices. However, the characteristic (including energy density, cost, and safety issues, etc.) reported for these current rechargeable devices still cannot meet the requirements for electric vehicles and grid energy storage, which are mainly caused by the limited properties of the key materials (e.g. anode, cathode, electrolyte, separator, and binder) employed by these devices. Moreover, these key materials are normally far from renewable and sustainable. Therefore great challenges and opportunities remain to be realized are to search green and low-cost materials with high performances. A large number of the properties of biomass materials-such as renewable, low-cost, earth-abundant, specific structures, mechanical property and many others-are very attractive. These properties endow that biomass could replace some key materials in electrochemical energy storage systems. In this review, we focus on the fundamentals and applications of biomass-derived materials in electrochemical energy storage techniques. Specifically, we summarize the recent advances of the utilization of various biomasses as separators, binders and electrode materials. Finally, several perspectives related to the biomass-derived materials for electrochemical energy storages are proposed based on the reported progress and our own evaluation, aiming to provide some possible research directions in this field.     

层次孔碳材料：结构设计、功能改性及新能源器件应用

发展电化学能源存储与转换技术是我国的长期重大需求。作为电化学能源器件中的关键材料，多孔碳材料已成为当前能源材料与化工领域的研究热点。层次孔碳材料是一类新型的多孔碳材料，同时兼具不同尺寸与功能的微孔、中孔或大孔。研究者通过对层次孔碳材料可控设计，已制得一系列孔结构、孔骨架及表面化学性质和微/纳拓扑形貌各异的新型层次孔碳及其复合材料，极大地提升了其能源存储和转化性能。本综述总结了近年来有关层次孔碳材料的结构设计、可控制备及其在电化学能源器件应用领域等方面的研究进展，并对其未来发展提出了建议与展望。     

低温等离子体在电化学储能器件表面修饰的应用

面对日益严峻的能源危机和环境污染，人类社会需减少化石燃料使用，发展新能源。以锂离子电池为代表的二次电池作为新能源存储设备在生活中得到了广泛应用。然而，在充放电过程中，以电极材料为代表的电化学储能器件面临体积膨胀、活性物质溶解等问题，影响二次电池的电容量和安全性。对电化学储能器件进行合理的表面修饰是改善上述问题的关键。等离子体具有高活性，可以有效抑制电极材料表面活性物质溶解、避免副反应的发生，提高二次电池的循环寿命和放电容量。本工作对等离子体技术，特别是低温等离子体进行了介绍，并总结了低温等离子体技术在电化学储能器件表面修饰中的最新进展，重点介绍了其在先进电极材料表面的应用，最后讨论了等离子体方法优点，并对其未来面临的挑战和应用进行了展望。     

人工智能在电化学水处理过程中的应用

近年来，通过人工智能建立的模型可以对工业过程进行精确调控，人工智能应用于电化学水处理技术过程得到了广泛关注。在电化学水处理过程中，人工智能模型可以降低电化学过程的能耗，获取最优能效比。本文对人工智能在电化学水处理的应用进行了综述、分类和归纳，并介绍了其应用方法，概述了人工智能应用于电化学水处理过程的特点、优势以及局限性，比较了用于电化学水处理的人工智能建模与响应面模型、回归模型和经验动力学模型的优劣。进而提出了人工智能在工程应用上的改进思路，为相关研究提供了参考。     

Process engineering in electrochemical energy devices innovation

This review focuses on the application of process engineering in electrochemical energy conversion and storage devices innovation. For polymer electrolyte based devices, it highlights that a strategic simple switch fromproton exchange membranes (PEMs) to hydroxide exchange membranes (HEMs) may lead to a new-generation of affordable electrochemical energy devices including fuel cells, electrolyzers, and solar hydrogen generators. For lithium-ion batteries, a series of advancements in design and chemistry are required for electric vehicle and energy storage applications. Manufacturing process development and optimization of the LiFePO₄/C cathodematerials and several emerging novel anode materials are also discussed using the authors' work as examples. Design and manufacturing process of lithium-ion battery electrodes are introduced in detail, and modeling and optimization of large-scale lithium-ion batteries are also presented. Electrochemical energy materials and device innovations can be further prompted by better understanding of the fundamental transport phenomena involved in unit operations.     

石化行业碳中和技术路径探索

2019年,中国石油和天然气消费所排放的CO₂为21.1亿吨,占全国总排放量的21%。在我国2060年碳中和目标下,石化行业亟需碳中和技术创新。本文介绍了国内外石化行业碳中和政策措施,从碳减排、碳零排和碳负排三方面分析了石化行业碳中和技术路径。碳减排方面包括石油/天然气绿色开发、过程低碳利用、减污降碳协同技术;碳零排方面包括可再生能源与核能发电、绿氢以及零碳原料/燃料替代,如生物质制汽柴油、芳烃等大宗能源化学品技术;碳负排方面包括生物能源与碳捕获和存储（BECCS）及CO₂转化燃料化学品技术。此外,还介绍了石化行业碳中和信息技术,包括人工智能、大数据和物联网三方面。本文将为我国石化行业碳中和路径探索提供技术参考。     

生物质的电化学转化反应及反应器

生物质通过电化学转化合成燃料和高附加值化学品是未来化学工业发展的一个重要方向，也是现代社会实现可持续发展的重要保障。在可再生能源产能不断提升，而现阶段暂无成熟的大规模能源存储技术的背景下，如何有效地利用可再生能源所产电能进行生物质的电化学转化是目前学术界和工业界关注的一个热点。本文介绍了近年来该领域的研究进展，着重阐释了关键的电化学反应和相关反应器的设计。从生物质衍生的平台分子的电化学转化取得了一定的进展，然而从生物质到平台分子的电化学转化还面临较大的挑战。提高平台分子和生物质电化学反应的选择性有赖于合适的电极材料和催化剂，而将原位分离与电极反应耦合的设计能够提高产物的收率，特别是在生物质直接电化学转化的过程中。     

化工新视野下中国生物甲烷跨越式发展策略

生物甲烷作为战略资源和可再生能源已在德国和瑞典等发达国家得到快速发展,我国尚处于起步阶段。目前,对生物甲烷物质高效转化和能量有效利用机制缺乏深入了解仍然是制约其大规模应用的瓶颈。本文从化学工程前沿理论出发,分析生物甲烷高效转化存在的关键科学问题,认为基于中国国情的生物甲烷工业,可以在化工界面传递新理论、纳微尺度新材料和系统优化方法介入下,获得物质转化和能量利用方面的突破,实现生物甲烷产业的跨越式发展。